“這種鉆石示蹤劑可以同時(shí)通過(guò)磁共振成像（MRI）和熒光信號(hào)提供信息，獲取高分辨率的高質(zhì)量圖像，同時(shí)觀測(cè)深度也能達(dá)到光學(xué)顯微鏡的 10 倍以上。” 談及量子精密測(cè)量的最新成果，來(lái)自加州大學(xué)伯克利的博士呂旭東向 DeepTech 介紹道。

圖 | 呂旭東（來(lái)源：受訪者）

當(dāng)前，信息技術(shù)正逐漸向量子信息技術(shù)跨越，新一輪技術(shù)革命即將到來(lái)。在這種趨勢(shì)下，全球很多科研工作者都在探索不同量子技術(shù)平臺(tái)。

在超導(dǎo)量子比特、離子阱、固體量子比特、里德堡原子等一眾實(shí)驗(yàn)體系里，鉆石氮 - 空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心平臺(tái)在室溫環(huán)境中存在一定干擾情況下，仍能保持較好特性的一個(gè)平臺(tái)，呂旭東發(fā)現(xiàn)的這種鉆石示蹤劑便是 NV 色心的最新研究成果。

5 月 25 日，這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)以論文形式發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）期刊上，論文以 “金剛石顆粒中的無(wú)背景雙模光學(xué)和 ¹³ C  磁共振成像（Background-free dual-mode optical and ¹³C magnetic resonance imaging in diamond particles）” 為題，呂旭東擔(dān)任第一作者。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：PNAS）

該研究首次通過(guò)鉆石實(shí)現(xiàn)自旋超極化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)磁共振和光學(xué)成像的結(jié)合，解決了目前兩種成像手段各自存在的缺陷問(wèn)題，有望在生物技術(shù)和醫(yī)療行業(yè)實(shí)現(xiàn)提速。

“鉆石 NV 色心是目前量子信息領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向。由于 NV 的熒光非常穩(wěn)定，是一種良好的單光子源，因此常被用于量子密鑰分配、生物熒光標(biāo)記等。另外鉆石 NV 色心中的電子自旋常常被作為量子比特或納米探針?！?呂旭東說(shuō)。

圖 | 鉆石（來(lái)源：Pixabay）

他向 DeepTech 介紹，NV 色心指的是鉆石里的一種特殊發(fā)光點(diǎn)缺陷，由一個(gè)替代的氮原子與一個(gè)碳原子空位組成，是眾多順磁性雜質(zhì)中的一種。這個(gè)空位吸引了一個(gè)電子，加上氮原子的一個(gè)未成鍵電子，組成了一個(gè)軌道基態(tài)自旋為 1 的體系。

據(jù)悉，NV 色心的電子基態(tài)為自旋三重態(tài)，室溫下相干時(shí)間可達(dá)毫秒量級(jí)，可以被定位到小于 10nm 的精度，電子自旋對(duì)外界磁場(chǎng)非常靈敏，NV 色心與其他待測(cè)樣品之間距離可以小于 5nm。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，NV 色心一般可作為一種非常強(qiáng)大的量子傳感器，不僅性能穩(wěn)定，并且可在樣品表面進(jìn)行納米級(jí)精度掃描成像時(shí)保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境的高度穩(wěn)定。

NV 的量子特性，讓激光能用極高的效率把它極化到特定的自旋狀態(tài)。研究中，呂旭東通過(guò)一種業(yè)內(nèi)稱之為朗道 - 基納（Landau-Zener）的量子轉(zhuǎn)移過(guò)程將電子自旋的極化轉(zhuǎn)移到 ¹³ C 原子的自旋上，使得原來(lái)極化很低的 ¹³ C 原子極化變高。

這個(gè)過(guò)程便是鉆石中碳原子超極化的過(guò)程，是磁共振成像中的關(guān)鍵所在。經(jīng)過(guò)超極化后，碳原子的磁共振信號(hào)可提高幾百到幾千倍，從而更容易被觀測(cè)到。

圖 | 超極化的鉆石為核磁共振產(chǎn)生更強(qiáng)的信號(hào)（來(lái)源：受訪者）

傳統(tǒng)磁共振的極化方式一般是使用強(qiáng)磁場(chǎng)，以反復(fù)測(cè)量微弱信號(hào)的方式獲得可靠信息，每次極化都需要較長(zhǎng)的弛豫時(shí)間?！翱紤]到多次測(cè)量的時(shí)間和弛豫時(shí)間，我們的超極化中 1 分鐘取得的信號(hào)，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中可能需要幾年的時(shí)間?！?呂旭東表示。

在精密測(cè)量過(guò)程中，NV 色心主要作出了兩個(gè)貢獻(xiàn)，那便是提升被測(cè)信號(hào)本身的強(qiáng)度以及提升測(cè)量的敏感度和精度。正是通過(guò)以上方法以及 NV 的突出表現(xiàn)，呂旭東最終實(shí)現(xiàn)了鉆石碳 13 的超極化磁共振成像，這在量子測(cè)量研究中尚屬第一次。

據(jù)了解，NV 色心的熒光是一種非常穩(wěn)定的光子源，經(jīng)常被用于量子密鑰分配、生物熒光標(biāo)記等。他表示：“我們?cè)谘芯恐校瑫r(shí)利用了 NV 的這個(gè)光學(xué)特性和超極化的特點(diǎn)，首次實(shí)現(xiàn)了基于金剛石的雙模態(tài)成像。”

目前，生化研究有一個(gè)無(wú)法忽視的難題，即以當(dāng)前的技術(shù)手段對(duì)生物組織進(jìn)行觀測(cè)，往往需要在探查深度與獲得圖像的清晰度之間進(jìn)行權(quán)衡。

使用光學(xué)顯微鏡觀察細(xì)胞或組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，分辨率可以達(dá)到亞微米級(jí)，但確保光線能穿透而不散射的檢測(cè)深度卻只有毫米級(jí)別；雖然磁共振成像的射頻可到達(dá)人體任何部位，不過(guò)該技術(shù)在分辨率上的缺點(diǎn)也非常明顯 —— 比光學(xué)成像差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖 | 鉆石顆粒通過(guò)光學(xué)和 MRI 進(jìn)行成像（來(lái)源：受訪者）

結(jié)合兩種成像方式，既克服了每種成像的缺點(diǎn)，又保留了各自的優(yōu)點(diǎn)。雙模態(tài)成像還有一個(gè)有趣之處就是兩個(gè)模態(tài)分別在兩個(gè)傅立葉共軛的空間中進(jìn)行采樣，研究中提出的共軛空間采用方法可以大大提高成像時(shí)的采樣速度和采樣精度。

此前，也有學(xué)者嘗試過(guò)磁共振的高質(zhì)量成像，但是沒(méi)有成功，而鉆石示蹤劑的出現(xiàn)在分辨率和觀測(cè)深度上取得了較好的平衡。

借助這種示蹤劑，研究人員可同時(shí)通過(guò) MRI 和熒光信號(hào)提供信息，從而獲取組織表面以下 1 厘米處的高質(zhì)量圖像，其深度也可達(dá)到光學(xué)觀測(cè)的 10 倍。

通過(guò)使用雙觀測(cè)模式，科研人員不僅可以獲得大量組合信息，而且在成像速度上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單一的光學(xué)成像或者磁共振成像，這為相關(guān)研究提供了一個(gè)全新的角度和方式。

據(jù)呂旭東介紹，他先在北京大學(xué)獲得物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，后在加州大學(xué)伯克利分校獲得博士學(xué)位。小時(shí)候，他就在物理方面表現(xiàn)出極高的天賦，中學(xué)時(shí)參加物理競(jìng)賽并因此成功保送至北京大學(xué)物理學(xué)院，期間又對(duì)量子科學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。

博士期間，他師從磁共振領(lǐng)域先驅(qū)、沃爾夫獎(jiǎng)得主、美國(guó)兩院院士亞歷山大?派因斯（Alexander Pines）。派因斯是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的高級(jí)科學(xué)家，同時(shí)也是加州大學(xué)伯克利分校的 Glenn Seaborg 化學(xué)教授，更是全球 MRI 技術(shù)的權(quán)威之一。在過(guò)去二十年里，派因斯一直在使用量子調(diào)控技術(shù)和磁共振技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的科學(xué)研究。

圖 | 亞歷山大?派因斯（Alexander Pines）（來(lái)源：伯克利化學(xué)學(xué)院）

同時(shí)呂旭東還受到他的第二導(dǎo)師杰夫?里莫（Jeffrey Reimer）的指導(dǎo)，里莫是伯克利化學(xué)和生物分子工程學(xué)院的院長(zhǎng)，也是將科學(xué)研究應(yīng)用到實(shí)際生活中的先驅(qū)。得益于兩位導(dǎo)師的教誨，呂旭東在量子學(xué)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。目前呂旭東是加州大學(xué)伯克利分校和加州理工大學(xué)的聯(lián)合博士后研究員，正負(fù)責(zé)主導(dǎo)一個(gè)新的冷原子量子平臺(tái)的搭建。

此前，有不少人嘗試過(guò)這項(xiàng)研究，但是并不成功。如何實(shí)現(xiàn)在微金剛石中的超極化，是領(lǐng)域中的一個(gè)很大挑戰(zhàn)。呂旭東和團(tuán)隊(duì)首次搭建了一套兼容高低場(chǎng)的設(shè)備（Ajoy, A., Lv, X., et al. Wide dynamic range magnetic field cycler: Harnessing quantum control at low and high fields, Review of Scientific Instruments），經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的不同路徑探索，在一次偶然機(jī)會(huì)中，發(fā)現(xiàn)了這種超極化的方法。經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化，這種超極化方法最終成型。

隨后呂旭東和團(tuán)隊(duì)做了大量工作，包括研究自旋極化過(guò)程中的理論、進(jìn)而優(yōu)化超極化的標(biāo)準(zhǔn)流程，然后把整套設(shè)備的電子元件等小型化，接著研究材料對(duì)于超極化的影響，并對(duì)材料進(jìn)行改進(jìn)，這才獲得了成熟技術(shù)。

在這項(xiàng)研究中，呂旭東使用的自制超極化器裝置，工程師是來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家伊曼紐爾?杜加（Emanuel Druga）。傳統(tǒng)強(qiáng)磁場(chǎng)磁共振譜儀的成本一般在幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)美元之間，但是利用超極化后，成本可以降到幾千美元。而且鉆石示蹤劑也很便宜，易用性也更高。

將鉆石微粒作為成像的標(biāo)記物，然后研究生物樣品或者醫(yī)學(xué)中特定位置的組織及細(xì)胞，會(huì)比傳統(tǒng)磁共振成像的效率更高。

在一般的磁共振成像中，信號(hào)可能比較弱，這會(huì)給診斷早期病情帶來(lái)影響。但如果利用量子化的手段，把鉆石微粒進(jìn)行表面修飾，特定地連接到癌細(xì)胞上，就可以輕易實(shí)現(xiàn)早期癌細(xì)胞的高清晰度圖像檢測(cè)。

未來(lái)，呂旭東的新技術(shù)將主要應(yīng)用于細(xì)胞和組織的體外研究，探查血液或其他液體中疾病的化學(xué)標(biāo)記物，或用于動(dòng)物的生理學(xué)研究。

將超極化應(yīng)用在化學(xué)分析上，可以大大提高信噪比以及降低測(cè)量時(shí)間，使得原來(lái)需要強(qiáng)磁場(chǎng)才能完成的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在可以在一個(gè)便攜式儀器中完成。

另外，如此之強(qiáng)的信號(hào)，可讓科研工作者探索以前不能測(cè)量的信號(hào)，從而研究新的化學(xué)、生物材料的現(xiàn)象和機(jī)理，也可為癌癥早期檢測(cè)等帶來(lái)新可能。

圖 | 醫(yī)療檢測(cè)工具（來(lái)源：Pixabay）

呂旭東認(rèn)為：“更準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)其實(shí)是一個(gè)有著非常高準(zhǔn)確度、非常高信號(hào)強(qiáng)度的工具。未來(lái)最有影響力的應(yīng)用方向可能在于研發(fā)出一臺(tái)協(xié)助治療癌癥的檢測(cè)產(chǎn)品?！?他堅(jiān)定認(rèn)為：“量子技術(shù)必然會(huì)帶來(lái)新一代的技術(shù)革新，甚至?xí)嵏埠芏喱F(xiàn)有的技術(shù)。”

目前，一些科研團(tuán)隊(duì)正在推進(jìn)該技術(shù)在臨床上的應(yīng)用，但要想真正大規(guī)模應(yīng)用于人體，還需要美國(guó)食品藥品管理局的（FDA）的認(rèn)證。其中，金剛石示蹤劑目前已經(jīng)在 FDA 審核中。

考慮到新技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)，無(wú)論是低成本、便捷性還是高質(zhì)量的成像，都將促使科研人員選擇更有益的方式?？梢源_定的是，該研究在量子精準(zhǔn)測(cè)量領(lǐng)域必將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，并為未來(lái)科學(xué)的發(fā)展帶來(lái)更多的可能。